吸波型电磁屏蔽纺织品的开发

电磁污染会严重危害人类健康,而且也对通讯设备和电气电子设备的正常运行造成严重的危害。在军事领域和通讯领域中,电磁波的泄漏也会造成泄密。由此,具有屏蔽功能的防护材料应运而生。目前,具有屏蔽功能的纺织品尚不多见,且大多以反射电磁波为主,具备良好吸波效能的纺织制成品更少见。电磁波被反射型纺织品反射后又会造成新的环境污染,对他人或环境中的电子设备造成危害。因此开发具有吸波功能的纺织产品势在必行。在军事应用领域中,目前世界各国都在竞相研究开发高性能宽频带的吸波材料,因为随着雷达探测技术的发展,在未来的战争中,只适合于较窄频段的吸波介质将很难适应战场要求。就用于军事用途的雷达隐身纺织品来说,在这一领域未来的发展目标是材料吸收频带宽、兼容性好、吸收强、重量轻,同时应具有良好的使用性能。

1电磁屏蔽基本原理及屏蔽纺织品发展现状

屏蔽材料对于电磁波的屏蔽效果可以用Schelkun-off电磁屏蔽理论来表达[1]。材料被电磁波入射时,其屏蔽效果的总和:

SE(dB)=R+A+B

式中,R为材料对电磁波能量的反射损耗,A为对电磁波能量的吸收损耗,B为电磁波能量在屏蔽材料中的内部反射损耗。从电磁屏蔽效能理论看,材料的厚度、电导率、介电常数、介电损耗、磁导率等许多因素对屏蔽效能都有影响。

电磁波是由在空间中交替变化的周期性电场和磁场构成的。当这些电场或磁场作用于材料时,总存在某种内摩擦而形成损耗。材料的介电系数和磁导率可以复数形式表达[1]:

ε=ε′-iε″μ=μ′-iμ″

式中,ε′和μ′分别表示材料对电场能和磁场能的储存,而ε″和μ″则表示对电场能和磁场能的消耗。因此,要

制作吸波型的屏蔽纺织品,应当使用具备较高的ε″和μ″的材料。

目前用于电磁屏蔽的纺织品,大多以不锈钢纤维或碳、石墨纤维等具有较高电导率的材料与纺织纤维混纺或交织制成,或使用金属化纤维,在纤维或织物上进行金属电镀或化学镀,提高电导率。电导率高的材料对电磁波具有较强的反射能力,具备良好的屏蔽效能,而吸收能力则相对较差,容易在环境中造成再次污染。理论计算和实践说明,电损耗型材料在较高的电磁波频段存在较强的吸收,而磁损耗型材料在较低的电磁波频段有较强的吸收能力,因此制作具有宽频吸波性能的纺织品,应使材料同时具备一定的介电损耗和磁损耗能力[2]。

2开发吸波型屏蔽纺织品的主要途径

开发吸波型电磁屏蔽纺织品有两条主要思路,一是寻找新型材料,使其同时具有较高的ε″和μ″,而且具有较好的物理机械性能,便于纺织加工,并能够适合纺织品的应用环境;二是根据多层复合吸波材料的设计原理,使用不同性能的电磁损耗材料,利用纺织复合材料的制作技术制造吸波材料。

现有的具有较好吸波性能并有可能应用于纺织品的新材料有以下几种。
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2.1本征导电高聚物材料

这类材料如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚苯撑等,是含阴离子的π2电子共轭体系高聚物,经适当掺杂之后其电导率可以在绝缘体、半导体和金属态范围内变化(10-9<σ<105 S/cm)。当它无触点稳压器的电导率处于半导体状态时,电磁损耗角的正切值为最大,对微波具有很好的吸收性能,属于电损耗吸收剂,具备较高的ε″值。该类材料与无机磁性材料复合后,其μ″亦可得到显著改善,同时与传统的铁氧体等吸波材料相比,质量只有其1/10,因此用于纺织品是一种比较理想的吸波材料。LeeC Y等曾研究使用聚吡咯和AgPd金属混合物在织物或非织造布上涂层,得到的产品的电磁屏蔽性能在8~80dB之间,并显示了较高的吸波性能和相对较低的反射率,是一种比较有前途的吸波纺织品[3]。Dhawan SK等利用聚苯胺在织物上接枝,也制得具有良好吸波性能的纺织品[4]。